CN105043525A - 一种基于激光散斑行为的振动信息检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光散斑行为的振动信息检测方法。现有无法实现振动信息无损遥测。本发明基于激光环境感知原理，利用激光散斑离焦成像技术，检测区域激光散斑经过离焦光学成像***进行成像，在离焦光学成像***的像空间设置有光纤束，光纤束一端位于离焦光学成像***散斑离焦成像区域，光纤束另一端的每根光纤与一个光电传感器相连接实现光电转换，每个光电传感器连接信号处理部件进行信号快速处理，振动分析单元通过综合分析每个光电传感器信号，得到检测区域的振动信息。本发明具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、***易于构建、使用便利、应用范围广等特点。

Description

一种基于激光散斑行为的振动信息检测方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种振动信息提取方法，特别是一种基于激光散斑行为的振动信息提取方法，主要应用于语音采集、振动监测、质量检测、噪声分析、环境监测、资源勘探、生物研究、生命科学、医学医疗、过程控制、国防安全、工程测试、危险评估、环境感知、物联网、过程控制、先进制造等领中的振动信息提取。

背景技术

振动是指物体的全部或一部分沿直线或曲线往返出颤动，具有一定的时间规律或周期，狭义上的振动检测是通过对机器或结构在工作状态振动的下状态监测，对机器或结构可进行故障诊断、环境控制、等级评定；测量机器或结构的受迫振动获得被测对象的动态性能（包括：固有频率、阻尼、响应、模态等信息），找出薄弱环节，通过改进设计提高其抗振能力，或通过隔振处理改善机械的工作环境和性能，广义上振动检测还包括声学和音频领域中的研究工程内容。振动广泛存在于语音采集、振动监测、质量检测、噪声分析、环境监测、资源勘探、生物研究、生命科学、医学医疗、过程控制、国防安全、工程测试、危险评估、环境感知、物联网、过程控制、先进制造等领中，并且对振动检测的需求越来越紧迫，检测要求也越来越高。在先技术中存在振动信息检测方法，一种压电振动传感器，（参见美国专利，专利名称：Piezoelectricvibrationsensor，发明人：OrtenBirger，专利号：US7656524B2，专利授权时间：2008年05月06日），虽然存在一定的特点，但是仍然存在本质不足，1）采用压电原理进行振动检测，基于压电材料制作成振动传感器，然后振动传感器与被检测物进行接触感知振动信息，因此本质上无法实现远距离振动遥测；2）由于压电振动传感器与被检测物存在近距离相互所用，被检测物以及所处环境会影响压电振动传感过程，影响影响检测结果的正确性和灵敏度，进而影响振动检测过程的可靠性；3）由于压电材料以及基于压电材料制作成的振动传感器存在自身本质机械频率特性，固有频率特性限制了振动信息检测的频率响应行为，既影响振动检测信息量，又限制了频率检测应用范围；4）在先振动检测***构建复杂、使用不便利、功能不容易扩充。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种基于激光散斑行为的振动信息检测方法，具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、***易于构建、使用便利、应用范围广、功能易于扩充等特点。

本发明的基本构思是：基于激光环境感知原理，利用激光散斑离焦成像技术，激光束照射到被检测区域，激光散斑经过离焦光学成像***进行成像，在离焦光学成像***的像空间设置有光纤束，光纤束一端位于离焦光学成像***散斑离焦成像区域，将用散斑离焦像传出，光纤束另一端的每根光纤与一个光电传感器相连接实现光电转换，每个光电传感器连接信号处理部件进行信号快速处理，振动分析单元通过综合分析每个光电传感器信号，得到检测区域的振动信息。

本发明的一种基于激光散斑行为的振动信息检测方法，其具体的技术方案如下：

步骤(1)激光光源出射光束的光路上设置有光束调整部件，光束调整部件调节光束参数或传播特性，达到测量用激光光束和传播方向；

步骤(2)激光光束照射到被检测区域，被检测区域存在光学界面，激光光束在光学界面处被散射，发生激光散射效应，形成激光散射光场，呈现激光传输散斑；

步骤(3)散射光场经过离焦光学成像***，在离焦光学成像***的像空间设置有光纤束，光纤束一端位于离焦光学成像***散斑离焦成像区域，将用散斑离焦像信息传出，光纤束另一端的每根光纤与一个光电传感器相连接实现光电转换；

步骤(4)光电传感器连接信号处理部件进行信号快速处理，振动分析单元通过综合分析每个光电传感器信号，得到检测区域的振动信息。

所述的激光光源为激光二极管、二极管激光器、气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器的中一种。

所述的光束调整部件为透镜式光束调整部件、反射式光束调整部件、液晶光束调整部件、微纳结构光束调整部件的中一种。

所述的离焦光学成像***为折射式光学成像***、反射式光学成像***、混合式光学成像***的中一种。

所述的光电传感器为光电二极管、光电三极管、雪崩管、光电倍增管的中一种。

所述的振动分析单元为计算机、嵌入式***、数字信号处理器、移动终端设备的中一种。

本发明中散斑原理、图像处理技术、光纤束制备和使用、多信息融合技术均为成熟技术。本发明的发明点在于基于激光环境感知原理，利用激光散斑离焦成像技术，给出一种无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、***易于构建、使用便利、应用范围广、功能易于扩充的基于激光散斑行为的振动信息检测方法。

与现有技术相比，本发明的优点：

1）在先技术采用压电原理进行振动检测，基于压电材料制作成振动传感器，然后振动传感器与被检测物进行接触感知振动信息，因此本质上无法实现远距离振动遥测。本发明基于激光环境感知原理，利用激光散斑离焦成像技术，激光束照射到被检测区域，激光散斑经过离焦光学成像***进行成像，由光纤束进行光场传出，进而被光电探测器探测，通过分析得到振动信息，本发明充分发挥了散斑原理和成像远距离工作特性，故具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵敏度等特点；

2）由于在先技术中压电振动传感器与被检测物存在近距离相互所用，被检测物以及所处环境会影响压电振动传感过程，影响影响检测结果的正确性和灵敏度，进而影响振动检测过程的可靠性。本发明本质上为激光散斑遥测原理，本质上避免了与被检测物的直接接触，并且光学检测原理受外界环境影响小，所以具有可靠性高、抗干扰能力强、被检测物形态和物质多样、信息量高等特点；

3）由于压电材料以及基于压电材料制作成的振动传感器存在自身本质机械频率特性，固有频率特性限制了振动信息检测的频率响应行为，既影响振动检测信息量，又限制了频率检测应用范围。本发明中，在离焦光学成像***的像空间设置有光纤束，光纤束一端位于离焦光学成像***散斑离焦成像区域，将用散斑离焦像传出，光纤束另一端的每根光纤与一个光电传感器相连接实现光电转换，每个光电传感器连接信号处理部件进行信号快速处理，因此，本发明频率特性不受限于器件机械性质，并且光电信号处理速度快、频率范围广，因此，本发明具有频率响应特性宽，进一步增加了信息量；

4）在先振动检测***构建复杂、使用不便利、功能不容易扩充。本发明采用散斑光电遥测原理和光纤技术，并且结构简洁，使得本发明的基于激光散斑行为的振动信息检测方法具有易于构建、使用特便利、应用范围广、功能易于扩充等特点。

附图说明

图1为本发明的一种实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于激光散斑行为的振动信息检测方法的实施例，利用激光散斑离焦成像技术，激光束照射到被检测区域，激光散斑经过离焦光学成像***进行成像，在离焦光学成像***的像空间设置有光纤束，光纤束一端位于离焦光学成像***散斑离焦成像区域，将用散斑离焦像传出，光纤束另一端的每根光纤与一个光电传感器相连接实现光电转换，每个光电传感器连接信号处理部件进行信号快速处理，振动分析单元通过综合分析每个光电传感器信号，得到检测区域的振动信息。

本实施例的具体实现步骤为：

步骤(1)激光光源1出射光束的光路上设置有光束调整部件2，光束调整部件2调节光束参数或传播特性，达到测量用激光光束和传播方向；本实施例中,激光光源1为532纳米波长的固体激光器，光束调整部件2采用透镜光束整形部件，激光光源1出射光束的光路上设置有束反射部件，光束反射部件用于改变激光光源1出射光束的传播方向；

步骤(2)激光光束照射到被检测区域，被检测区域存在光学界面3，激光光束在光学界面3处被散射，发生激光散射效应，形成激光散射光场，呈现激光传输散斑；本实施例中,光学界面3为50米远处的房间门板和20米距离处的通话过程中手机后盖；

步骤(3)散射光场经过离焦光学成像***4，在离焦光学成像***4的像空间设置有光纤束5，光纤束5一端501位于离焦光学成像***散斑离焦成像区域，将用散斑离焦像信息传出，光纤束5另一端的每根光纤与一个光电传感器相连接实现光电转换，光纤束5另一端为光电传感器阵列502；本实施例中,光电传感器阵列502采用互补金属氧化物半导体电传感器阵列，离焦光学成像***4为折射式光学成像，光纤束5采用多模光纤束；

步骤(4)每根光纤端面处设置的光电传感器连接信号处理部件进行信号快速处理，信号处理部件集成到振动分析单元6，振动分析单元6通过综合分析每个光电传感器信号，得到检测区域的振动信息；本实施例中振动分析单元6采用嵌入式***。

本实施例成功实现了50米远处的房间门板的机械振动的无损遥测，同时也实现了20米距离处的通话过程中手机后盖振动特性检测。本发明具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、***易于构建、使用便利、应用范围广、功能易于扩充等特点。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于激光散斑行为的振动信息检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤(1)激光光源出射光束的光路上设置有光束调整部件，光束调整部件调节光束参数或传播特性，达到测量用激光光束和传播方向；

步骤(2)激光光束照射到被检测区域，被检测区域存在光学界面，激光光束在光学界面处被散射，发生激光散射效应，形成激光散射光场，呈现激光传输散斑；

步骤(3)散射光场经过离焦光学成像***，在离焦光学成像***的像空间设置有光纤束，光纤束一端位于离焦光学成像***散斑离焦成像区域，将用散斑离焦像信息传出，光纤束另一端的每根光纤与一个光电传感器相连接实现光电转换；

步骤(4)光电传感器连接信号处理部件进行信号快速处理，振动分析单元通过综合分析每个光电传感器信号，得到检测区域的振动信息。

2.如权利要求1所述的一种基于激光散斑行为的振动信息检测方法，其特征在于：所述的激光光源为激光二极管、二极管激光器、气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器中的一种。

3.如权利要求1所述的一种基于激光散斑行为的振动信息检测方法，其特征在于：所述的光束调整部件为透镜式光束调整部件、反射式光束调整部件、液晶光束调整部件、微纳结构光束调整部件中的一种。

4.如权利要求1所述的一种基于激光散斑行为的振动信息检测方法，其特征在于：所述的离焦光学成像***为折射式光学成像***、反射式光学成像***、混合式光学成像***中的一种。

5.如权利要求1所述的一种基于激光散斑行为的振动信息检测方法，其特征在于：所述的光电传感器为光电二极管、光电三极管、雪崩管、光电倍增管中的一种。

6.如权利要求1所述的一种基于激光散斑行为的振动信息检测方法，其特征在于：所述的振动分析单元为计算机、嵌入式***、数字信号处理器、移动终端设备中的一种。